30万t/a离子膜烧碱整流设计应考虑的节电措施

耿庆鲁

（德州实华化工有限公司，山东 德州 253007）

30万t/a离子膜烧碱整流设计应考虑的节电措施

耿庆鲁

（德州实华化工有限公司，山东 德州 253007）

结合30万t/a离子膜烧碱实际设计经验，介绍了在离子膜整流设计上应考虑的节电措施。

优化；整流；设计方案；节电；措施

在整流设计上考虑节电措施，首先应该优化整流设计方案，基于合理选择整流站的位置、整流电路、整流变压器及整流相数、整流柜、整流调压方式、整流设备的布置、整流元件的冷却方式等，对于优化整流系统，提高整流效率，取得好的节电效果是非常有帮助的。另外，还应采取一些新的节能设计理念，争取每一个节电机会。

以德州实华30万t/a离子膜烧碱为例，国产2.5万t/a离子膜烧碱生产装置采用蓝星化工机械有限公司NBZ—2.7自然循环零极距电解槽，共有150个单元槽，运行电流13.8 kA。30万t/a离子膜整流装置，采用“一拖二”的运行方式，由1台整流变压器带2台整流柜及2台离子膜电解槽组成，这样形成6台整流变压器带12台整流柜给12台零极距电解槽供电的规模化生产模式。

1 合理选择整流站的位置

整流站位置的选择应接近负荷中心，交直流网络运行方式要合理，缩短供电半径，减少线路电阻和电压降，降低线损率，实现整流设备经济运行。一般总变电站的距离以不超过500 m为宜。

2 合理选择整流电路

整流机组额定直流电压UdN的计算。

如果选用NBH-2.7型零极距离子膜电解槽，年产量为2.5万t烧碱，由产量理论计算公式：产量=理论系数×运行电流×全年运行时间×电解槽台数×效率（理论系数=1.492，运行电流取13.8 kA，全年运行时间取8 520 h，效率取0.95）计算得电解槽台数= 150，应投用150台电解槽。

一般换槽电压取3.3 V，则总电压为150×3.3= 495（V）。由于国产2.5万t/a离子膜对整流电压的要求较高，为直流530 V，大于400 V，因此，电连接方式采用三相全控桥式同相逆并联整流结构。

因为复极式电解槽具有电压高、电流低的特点，整流主电路采用三相全控桥式整流电路。为减少变压器阀侧大电流出线时对周围铁磁物质的影响，采用同相逆并联技术。

3 合理选择整流元件

优化整流系统，合理选择整流元件，有以下几点依据。

（1）元件串联数少。元件串联数越少，功率损耗就越低。（2）提高整流臂并列支路均流系数。整流臂中并列支路电流分配不均，会在整流设备满负载运行的时候出现支路电流过载的情况，支路电流过载也会导致整流设备功率损耗，造成浪费。（3）选用元件正向压降小，反向泄漏电流小的硅整流元件。如果元件正向压降小，反向泄漏电流小，功率损耗就会随之降低，这样也可以节电。 （4）尽量选择大电流的元件，以减少元件的并联数，提高了均流系数。

4 合理选择整流变压器及整流相数

离子膜整流变压器一般选择“一拖二”模式，方便运行管理。整流变压器的制造要选用优质冷轧硅钢片，采用斜接缝及新绑扎工艺，适当加大铁心面积，增大匝电压，合理降低电流密度及杂散损耗。总之，要选用节能型整流变压器，效率在99.0%以上。

合理选择整流相数，可以基本消除幅值较大的低次谐波，是一种很好抑制谐波的手段。通过增多整流相数，可以起到节电的功效。

在整流过程中，整流电压的脉动率减少会相应减少连接系统高次谐波的干扰，这样就降低了电能损耗。同时，整流变电抗会使整流的电流和电压间出现角位移，角位移是相数变换时在变压器内部产生的无功损耗的表现。相数增多，整流的角位移随之降低，功率因数会增高。

合理选择单机脉波数P，是构成整流机组总体方案的重要部分。由于整流机组为非正弦用电设备，因而会引起供电网络内电压，电流波形畸变，对电话通信产生干扰，使系统内发电机损耗增加，降低出力，引起系统内电力电容器过载等谐波影响问题。整流相数愈高，上述各问题的严重程度随之降低。因此，在不增加或少增加投资的条件下，应尽量使全套整流装置构成较高的整流相数。

离子膜整流变压器一般为“一拖二”的大型整流变压器，是双铁芯变压器，可以形成单机组12脉波。以单机组12脉波整流为基础，两机组可构成等效24相，三机组可构成等效36相，四机组可构成等效48相，这种移相方法的特点是变压器参数对称性好，属于3种移相方法中在相同移相角时，因移相而增加变压器等值计算容量最小的一种。目前，用延边三角移相构成等效多相制系统最多相数的是60相，用得较多的是24相。

5 合理选择调压方式

由于离子膜电解槽长时间运行的电流较高，较稳定，所以不需要大范围的调压。调压范围为75%～105%即可，可采用19级或21级等匝数有载调压。

整流变压器的调压范围严重影响整流变压器的效率：调压范围越小，整流变压器的效率越高。这是因为达产后，整流变压器一般运行在80%～100%，那么多余调压绕组的电耗将永远无法消除。

6 合理选择整流柜的参数

整流柜型号为KHS-16200A/530V，采用后下进线，直流上出线方式；电连接方式采用三相全控桥式同相逆并联结构；每臂选用3只KP-3200A/2600V大功率低损耗晶闸管，配3只RSH-3600A/800V快速熔断器。

每个整流柜由2组三相全控桥整流电路构成同相逆并联结构，其原理是将相位相同、极性相反的整流铜排连接自二次绕组到整流柜之间尽可能的靠近安装，使通过二者的电流在任何时候都大小相等，方向相反，各自产生的交变磁场在两逆并导体之外相互抵消，从根本上解决了大电流产生强交变磁场引起的局部发热，以及电抗压降和并联元件之间电流不平衡等问题，便于提高整流机组的功率因数和效率。每个桥臂选用3只KP-3200A/2600V晶闸管并联使用，当一只元件损坏时，整流装置仍能正常工作。

7 合理选择整流变压器和整流元件的冷却方式

由于整流变压器采用“一拖二”，整流变压器的容量很大，自然风冷已经无法满足要求，因此采用强油风冷的形式，每台整流变压器用3套板式油风冷却器，可保证变压器的运行安全。

因为整流柜的电流为16 200 A，电流较高，风冷已经不能冷却，所以采用水冷，通过水泵集中供应循环水。

8 合理进行整流设备的布置

为了尽可能减少整流变压器和整流柜之间的铜排连接长度，采用“平面一体化”安装方式，整流变压器的出线方式设计为两侧中下部侧出线。

整流设备采用“平面一体化”安装方式，整流变压器和整流柜尽可能在同一平面上靠近安装，整流变压器下部侧出线，整流柜为下部侧进线，这样使交流铜排保持在同一各高度进行安装，既减少了铜排长度，又降低了交流电能损耗。整流柜采用顶部直流出线方式，直接平行进入离子膜厂房连接离子膜电解槽，最大限度的减少了直流铜排的用量，也降低了直流电能损耗。

9 整流变压器网侧电压的选择

根据国产2.5万t/a离子膜对整流的要求，整流柜额定直流输出为530 V，16 200 A。按“一拖二”的运行方式计算，整流变压器的容量约为20 300 kVA，如果选用10 kV作为网侧电压，其网侧电流约为1 172 A；如果选用35 kV作为网侧电压，其网侧电流约为335 A；如果选用110 kV作为网侧电压，其网侧电流约为106 A，所以整流变压器网侧电压应选择110 kV。如果条件不允许或离110 kV总变电站比较近，也可以选择35 kV作为网侧电压。当选用110 kV电压时，由于网侧电压比较高，建议整流站不再重复设置开关站，由总降压变电站直接供电，可以节省很大的投资费用。

10 合理选择导电排

整流导电排主要选用铜排，交直流导电排的截面积应按经济电流密度选择，接头尽可能的少，并采用铜焊接工艺。如焊接有困难，应降低铜排接触面的电流密度δ，一般选铜接头δ=0.1～0.15 A/mm2。另外，铜接头安装时接触面应保证不低于100 kg/cm2的压力，还应涂上一层导电膏或凡士林，以降低接触电阻和防止氧化。

在实际应用中，铜导电排的电流密度选取应≤1.2 A/mm2；交流导电排因为交流磁场感应的影响，可适当降低电流密度到1.0 A/mm2。此外，还应确保交直流导电排的高宽比为10～20以上，以便减低集肤效应系数，减少损耗。

实际中交流铜排可以选用300×10的尺寸；直流铜排可以选用350×20的尺寸。

11 新的节能设计理念

（1）整流电压电流的设计值应裕度合适

有时，整流电压电流的设计值与实际最高值超出过高，这样整流电压电流偏高会有一些不良的后果，会造成能源浪费。

a.浪费容量，增高成本。整流设备的容量与直流电压成正比，容量增大，直流电压就会增高，也就是说直流电压的百分数增高，设备容量的百分数也会增加。而设备容量的百分数增加就意味着价格也随之增高。

b.运行费用增加。整流设备容量大，运行时耗电量增大。

c.有损整流设备的经济运行。一般情况下，整流效率在额定电压输出的时候最高，输出电压偏离额定值越大，相对效率就越低，损耗就越大。

（2）认识新的整流电路接线方式

随着科技进步，整流电路的接线方式有很多种，应根据负荷的容量、电压、电流以及对整流电压波纹系数的要求，通过技术经济比较，合理选择整流装置的接线方式。一般应以三相桥式整流和带平衡电抗器的双反星行整流电路为优选方案。目前，除了对电压要求较低的整流设备采用双反星行接线方式外，新制造的整流设备大都采用三相桥式的接线方式。相对于双反星行接线方式来说，三相桥式接线方式具有减少有功和无功功率损耗的优点。

（3）对同相逆并联的使用的再认识

对同相逆并联的使用也应该认真比较，同相逆并联结构只是在一定技术条件下，解决外磁场发热问题的结构形式之一，适应于小直径元件和较低电压大直流的场合。从结构上进行改进可解决高电压大电流安全问题。三相桥轴式对称结构克服了同相逆并联结构上存在的缺陷，可较好解决高电压、大电流整流器在电场、磁场、电动力、电腐蚀等方面的问题。

（4）可以采用新型整流变压器

目前较新型的整流变压器是三相五柱整流变压器，是用新型的五芯柱取代传统的平衡电抗器，这样的设计具有节省材料、时间和电力等优点，能够从根本上降低总损耗。

（5）通过改变电阻来优化整流系统

a.取消均流电抗的功率损耗。在每个整流支路上有多只并联的元件，为了提高均流系数，常采用在元件之路上串均流电抗来强制均流，这样会因为电抗的磁场发热产生功率耗损。现在元件特性已经提高，如果根据元件参数进行匹配，完全可以取消均流电抗，减少功率损耗。

b.采用低功耗的压敏电阻。整流机组操作的时候，内部过电压会导致元件损坏，为了防止这种损坏，在整流器阀侧和直流侧装上交流阻容和直流阻容的保护装置。阻容保护装置装上后会产生功率损耗，这时用压敏电阻来替换阻容保护装置，不仅能够保护操作过的电压，还能够减少功率的损耗，达到双赢的效果。

12 结论

通过在离子膜整流设计上应考虑的节电措施，优化整流设计方案，降低了生产成本，又可以优化经济结构，提高经济效益。

Energy saving measures in the rectification design of 300 kt/a ionic membrane caustic soda

GENG Qing-lu
（Dezhou Shihua Chemical Co.,Ltd.,Dezhou 253007，China）

Combined with practical experience in the practical design of ion-exchange membrane caustic soda，the electricity saving measures should be considered in the design of rectification.

optimization；rectification；design scheme；power saving；measures

TM461

B

1009－1785(2016)12-0005-03

2016-08-22